Ekologia_i_ustoychivoe_razvitie / Teory / T5_5
.HTMТ5_5 5.5 Глобальные биогеохимические циклы. Круговорот веществ в биосфере
Термин «биогеохимия» ввел В.И. Вернадский. «Био» - относится к живым организмам, «Гео» - к горным породам, почве, воздуху, воде.
Биогеохимический круговорот – это циркуляция химических элементов, всех основных элементов протоплазмы из внешней среды в живой организм и опять во внешнюю среду. В этом процессе участвуют как биотическая, так и абиотическая часть экосистемы.
Важнейшим свойством потоков веществ в экосистемах является их цикличность.
В круговороте веществ различают две части или два фонда:
1. недоступный (резервный) фонд – большая масса движущегося вещества, в основном, не связанного с живыми организмами; не проходит биотическую фазу (например, резервный фонд углерода – это неорганические соединения углерода в атмосфере, океане, изверженных породах, в отложениях карбоната кальция, каменного угля, нефти);
2. доступный (обменный) фонд – меньший фонд, но более активный, характеризующийся быстрым обменом между организмами и их непосредственным окружением; вещества включены в биотическую фазу (например, обменный фонд углерода – это масса активного углерода, которая ассимилируется в процессе фотосинтеза с углеводами, а затем вновь тратиться на дыхание растений).
Для биосферы в целом биогеохимические круговороты можно подразделить на два основных вида:
1. газообразные вещества с резервным фондом в атмосфере или гидросфере;
2. осадочный цикл с резервным фондом в земной коре.
Рассмотрим круговороты основных биогенных веществ в биосфере.
5.5.1 Круговорот воды. Вода – необходимое вещество в составе любых живых организмов. Основная масса вода на планете сосредоточена в гидросфере. Испарение с поверхности водоемов представляет источник атмосферной влаги; конденсация ее вызывает осадки, с которыми, в конце концов, вода возвращается в океан. Это процесс составляет большой круговорот воды на поверхности Земли.
В пределах отдельных экосистем осуществляются процессы, усложняющие большой круговорот и обеспечивающие его биологически важную часть. В процессе перехвата растительность способствует испарению в атмосферу части осадков раньше, чем они достигнут поверхности земли. Вода осадков, достигшая почвы, просачивается в нее и либо образует одну из форм почвенной влаги, либо присоединяется к поверхностному стоку; частично почвенная влага может по капиллярам подняться на поверхность и испариться. Из более глубоких слоев почвы влага всасывается корнями растений; часть ее достигает листьев и транспирируется в атмосферу.
Эвапотранспирация – это суммарная отдача воды из экосистемы в атмосферу. Она включает как физически испаряемую воду, так и влагу, транспирируемую растениями. Уровень транспирации различен для разных видов и в разных ландшафтно-климатических зонах.
Если количество воды, просочившейся в почву, превышает ее влагоемкость, она достигает уровня грунтовых вод и входит в их состав. Подземный сток связывает почвенную влагу с гидросферой.
Таким образом, для круговорота вода в пределах экосистем наиболее важны процессы перехвата, эвапотранспирации, инфильтрации и стока.
В целом, круговорот воды характеризуется тем, что в отличие от углерода, азота и других элементов вода не накапливается и не связывается в живых организмах, а проходит через экосистемы почти без потерь; на формирование биомассы экосистемы используется лишь около 1% воды, выпадающей с осадками.
5.5.2 Круговорот углерода. Углерод существует в природе во многих формах, в том числе в составе органических соединений. Неорганическое вещество, лежащее в основе биогенного круговорота этого элемента, - углекислый газ СО2. В природе углекислый газ входит в состав атмосферы, а также находится в растворенном состоянии в гидросфере. Включение углерода в состав органических веществ происходит в процессе фотосинтеза, в результате которого на основе СО2 и Н2О образуются сахара. В дальнейшем другие процессы биосинтеза преобразуют эти углеводы в более сложные (крахмал, гликоген), а также в протеиды, липиды и др. Все эти соединения не только формируют траки фотосинтезирующих организмов, но и служат источником органических веществ для животных и не зеленых растений.
В процессе дыхания все организмы окисляют сложные органические вещества; конечный продукт этого процесса, СО2, выводится во внешнюю среду, где вновь может вовлекаться в процесс фотосинтеза.
Углеродсодержащие органические соединения тканей живых организмов после их смерти подвергаются биологическому разложению организмами – редуцентами, в результате чего углерод в форме углекислоты вновь поступает в круговорот. Этот процесс составляет сущность так называемого почвенного дыхания.
Большая часть углерода содержится в океанах. Именно от данного углерода зависит главным образом количество СО2 в атмосфере. Океан поглощает избыток углекислого газа из воздуха, в результате чего образуются карбонатные и бикарбонатные ионы. Существует и обратный процесс, в ходе которого углекислый газ выделяется из океанов в атмосферу. Таким образом, океан поддерживает концентрацию СО2 в атмосфере до тех пор, пока не вмешивается фактор индустриализации (выбросы СО2 в атмосферу, вырубка лесов). На рисунке 1.9 показана схема процесса круговорота углерода в природе.
5.5.3 Круговорот азота (рисунок 1.10). Азот содержится в атмосфере в виде газа. Атмосферный азот становится частью живой материи исключительно благодаря жизнедеятельности бактерий и водорослей, которые обладают способностью фиксировать его в органических соединениях и нитратах. На корнях бобовых растений (клевер, люцерна, соя, белая акация) образуются небольшие клубеньки, в которых живут азотфиксирующие бактерии.
Часть азота выпадает из круговорота, оседая в глубоких донных отложениях морей и океанов, однако эта потеря почти полностью компенсируется выделением азота при извержении вулканов.
Животные и растения поглощают азот в виде нитратов. Большая часть азота поступает в живые системы с помощью бактерий, образующих аммиак. Аммиак выделяется в процессе распада живого вещества. Сначала образуются нитриты, затем нитраты. Некоторые бактерии обладают способностью разлагать нитраты, выделяя газообразный азот.
Человек влияет на круговорот азота, вводя в окружающую среду новые нитраты и газообразные оксиды азота, обращающиеся в результате его сельскохозяйственной (внесение удобрений) и промышленной (выхлопные газы, выбросы предприятий) деятельности.
5.5.4 Круговорот фосфора (рисунок 1.11). В природе фосфор в больших количествах содержится в ряде горных пород. В процессе разрушения этих пород он попадает в наземные экосистемы или выщелачивается (вымывается) осадками и оказывается в гидросфере. В обоих случаях этот элемент вступает в пищевые цепи. В большинстве случаев организмы – редуценты минерализуют органические вещества, содержащие фосфор, в неорганические фосфаты, которые вновь могут быть использованы растениями и, таким образом, снова вовлекаются в круговорот.В океане часть фосфатов с отмершими органическими остатками попадает в глубинные осадки и накапливается там, выключаясь из круговорота. Процесс естественного круговорота фосфора в современных условиях интенсифицируется применением в сельском хозяйстве фосфорных удобрений, источником которых служат залежи минеральных фосфатов. Это может быть поводом для тревоги, так как соли фосфора при таком использовании быстро выщелачиваются, а масштабы эксплуатации минеральных ресурсов все время растут, составляя в настоящее время около 2 млн. тонн в год.
5.5.5 Круговорот серы (рисунок 1.12). Сера попадает в почву в результате естественного разложения некоторых горных пород (серный колчедан FeS2, медный колчедан CuFeS2), а также как продукт разложения органических веществ (главным образом растительного происхождения). Через корневые системы сера поступает в растения, в организме которых синтезируются содержащие это элемент аминокислоты цистин, цистеин, метионин. В организме животных сера содержится в очень малых количествах и попадает в них с кормом. Сера из органических соединений попадает в почву благодаря разложению мертвых органических остатков микроорганизмами. В этом процессе органическая сера может быть восстановлена в H2S и минеральную серу или же окислена в сульфаты, которые поглощаются корнями растений, т.е. вновь поступают в круговорот. В наше время в круговорот вовлекается и сера промышленного происхождения (дымы), переносимая с дождевой водой (кислотные дожди).
5.5.6 Круговорот биогенных катионов. В метаболических процессах живых организмов необходимое участие принимают различные катионы. Некоторые из них содержатся в довольно значительных количествах и соответственно относятся к категории макроэлементов. Таковы натрий, калий, кальций, магний. Другие содержатся в малых количествах (миллионные доли сухого вещества), но, тем не менее, жизненно необходимы. Это катионы железа, цинка, меди, марганца и др., относимые к микроэлементам.
Главным источником биогенных катионов на суше служит почва, в которую они поступают в процессах разрушения горных пород. Через корневую систему они попадают в растения, а в составе растительных тканей – в организмы растительноядных животных и высшие звенья пищевых цепей. Частично животные могут получать эти элементы и прямо из почвы (процесс солонцевания). Минерализация экскрементов и мертвых организмов возвращает биогенные элементы в почву и делает их доступными для включения в повторный круговорот. Этот простой цикл нарушается выносом биогенных элементов с поверхностным стоком в реки и затем в моря. Выщелачивание катионов из почвы дождевыми водами приводит к ослаблению корневых систем растений. В сельском хозяйстве вынос биогенных элементов при уборке урожая неизбежен; компенсация его внесением органических и минеральных удобрения решает проблему лишь частично.